リレーの革命：Menlo MicroとCorningのガラスベースマイクロメカニカルスイッチ

先進スイッチが従来の欠点を克服し、高速動作、長寿命、高電力性能、微小パッケージサイズを実現します。

固体スイッチと電磁機械式リレーは電力管理アプリケーションに普及していますが、エネルギー損失、高コスト、重量、嵩張り、性能限界、信頼性問題に悩まされています。これらの制約が、次世代5Gネットワークの展開や車両・再生可能エネルギーシステム・スマートグリッドの電化を阻害しています。

Menlo Microは、CorningのHPFS熔融シリカガラスと銅充填スルーガラスビア（TGV）を用いたマイクロメカニカルスイッチを開発し、これらの課題に対処しました。CorningのPrecision Glass Solutionsとの提携により、機械式リレーの最大1,000倍の速度、劇的に長い寿命、キロワットクラスの電力処理、人間の髪の毛より小さいフットプリントを実現。高ストレス条件下で数十年の信頼動作を約束します。

新世代リレーの誕生

IoT、人工知能、5G接続、あらゆるものの電化が、私たちの接続、データ共有、世界の制御のあり方を一変させています。これに対応するには、マイクロエレクトロニクスが前例のない形で進化しなければなりません。

次世代スイッチは、今日の固体スイッチや電磁機械式デバイスより高速、小型、強靭、省エネでなければなりません。従来の固体スイッチはCMOSシリコンに依存しますが、半導体である以上、必然的にリーク電流と発熱を伴います。電磁機械式リレーは高電力処理が可能ですが、大型、低速、信頼性に劣ります。シリコンの根本物理とリレーの機械的制約が進歩を阻んでいます。解決策は先進材料科学、特にガラスにあります。

ガラスは優れた誘電体であり、その抵抗率は高抵抗シリコンより桁違いに高く、エネルギー損失を防ぎます。CorningとMenlo Microの提携は、ガラスウェーハで達成可能なことを拡張します。

CorningとMenlo Microの協業

(画像出典：Menlo Micro)

この提携は、機械式リレーの発明者でありGEの創業者でもあるThomas Edisonの遺産を継ぐものです。両社は、事実上すべての電子デバイスに不可欠な電気的操作スイッチであるリレーを再発明しています。

電磁機械式リレーは高電力対応ですが、大型、低速、非信頼的。固体スイッチは小型高速ですが、リークと発熱に悩まされます。数十年にわたりエンジニアは、一方の弱点を他方の弱点とトレードオフし、完璧な解決策に到達できませんでした。

Menlo Microのマイクロメカニカルスイッチはこれら核心課題を解決します。より小型、軽量、高速、効率的で、電磁機械式リレーより長寿命ながら高電力処理が可能。固体スイッチより優れたRF性能を発揮し、医療機器、通信インフラ、航空宇宙、民生電子機器に最適です。

ブレークスルーはCorningの超高純度熔融シリカガラスによって可能になりました。Menlo Microは銅充填TGVを含む第2ガラス層を追加し、電流をガラス内で直接ルーティングすることで、移動距離を70%短縮、サイズ・コスト削減と性能向上を同時に達成しました。

技術的基盤

Menlo Microの創業者たちはGEでR&Dを開始し、4,000万ドル以上と12年の研究を投じてガラスベーススイッチソリューションを開発しました。GEでの経験が新たなアプローチを促し、コスト効率の良い量産可能なスイッチへと結実しました。

CorningのPrecision Glass Solutionsとの協業で、高純度（99.999%）熔融シリカウェーハへのアクセスを得ました。ベース層は厚さ0.5mmの8インチウェーハ、TGV層は幅が人間の髪の半分である10万個のマイクロホールをドリル加工し銅で充填した薄いウェーハです。結果として5.6mm³のデバイスが、電磁機械式リレーの電力処理能力と、固体スイッチの速度・軽量・信頼性・小型を兼ね備えます。

TGVパッケージングの統合により、ワイヤーボンディング設計比でリレーサイズを60%以上削減し、高密度アプリケーションに不可欠なSWaP-C要件を満たします。ワイヤーボンド排除によりパッケージ寄生成分を75%以上削減し、5G、試験計測、航空宇宙・防衛に必須の高周波動作を可能にします。

気密ガラスパッケージングは、数十年にわたりリレー性能を制限してきた不要なインターコネクトを排除し、信頼性向上と同時に全体のサイズとコストを削減します。

Menlo MicroとCorningは生産を拡大し、スイッチをより手頃にしています。Corningの独自ビア設計が気密銅インターコネクトを提供し量産を支援、他業界でもガラスパッケージングやベゼルレスディスプレイ向けにTGVを検討中です。

Menlo Microのスイッチ技術は100億回以上のスイッチングサイクルでの信頼性を実証し、ロードマップでは200億回を目指します。数百ボルト・数十アンペアを処理し、マイクロメカニカルデバイスでキロワットクラス電力処理、優れた電気性能、コンパクトサイズ、従来リレー・固体スイッチ比で低コストを実現します。

TGVパッケージングを用いて、DC〜26GHzの帯域幅を持つRFリレーを開発中で、50GHz超えを目指します。プラットフォームはバッテリー管理、ホームオートメーション、電気自動車、軍事、プロフェッショナル無線、5G基地局、IoTに対応します。

生産拡大

2020年10月以来、Menlo Microは8インチ大量生産ラインから60社以上の主要顧客へ出荷しています。単一デバイスの電磁機械式リレーとは異なり、数千個のマイクロメカニカルスイッチが半導体業界で標準的なウェーハレベルバッチプロセスで同時に製造され、自動化・スケーラブルな手法を確立しています。

結論

最初の電球から現代のスマートフォンディスプレイまで、170年にわたるCorningのガラスイノベーションの伝統が、新世代マイクロメカニカルリレーを支えています。CorningとMenlo Microは、高純度ガラスから作られる微小・省エネスイッチを提供し、あらゆるものの電化と5G、AI、IoTネットワークの展開を可能にします。

— Chris Giovanniello、Menlo Micro共同創業者兼ワールドワイドマーケティングSVP。

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Menlo Microは、EE Timesの第21回「注目のトップ100新興スタートアップ」に選出されました。

The Silicon 100は、過去1年間で最も有望なエレクトロニクス・半導体スタートアップをリストアップしています。

EE Times Storeでデジタル版の新しいSilicon 100をご覧いただけます。

>> この記事は元々、姉妹サイトのEE Times Europeで公開されました。

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